一种基于钢结构抗火专家系统的钢结构抗火设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于钢结构抗火专家系统的钢结构抗火设计方法，该方法包括以下部分：过火前的钢结构抗火设计和过火后钢结构加固与修复设计，其中过火前的钢结构抗火设计具体步骤为：通过钢结构抗火专家系统确定火灾时现场温度场；算确定火灾时钢结构构件升高温度；计算高温下钢结构构件的屈服强度和弹性模量；进行钢结构构件的抗火设计。与现有技术相比，本发明采用专家系统（ESSFF）作为设计工具，通过对火灾现场温度场对钢结构构件的影响对钢结构构件进行设计，从而满足了钢结构构件对抗火性能的要求，同时，通过本发明的发明，还能对火灾后的钢结构构件进行抗火性能的加固和修复，提高钢结构的抗火性能。
【专利说明】一种基于钢结构抗火专家系统的钢结构抗火设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钢结构建筑抗火设计领域，涉及一种基于专家系统的钢结构抗火设计方法。
【背景技术】
[0002]随着计算机技术的迅猛发展，各个领域都在利用计算机语言(Visual C++、Visual Basic等)编写程序以解决相应的复杂问题。目前，国内在钢结构设计方面开发了3D3S空间杆系钢结构CAD软件，STS软件等，在抗火设计方面的软件比较缺乏。本发明利用开发的钢结构抗火设计专家系统(ESSFF)软件作为工具，为钢结构抗火设计提供定量的依据，使钢结构抗火设计更加规范化，合理化。
【发明内容】
[0003]发明目的:本发明所要解决的技术问题是针对现有技术不足，而提供一种满足抗火性能要求的基于钢结构抗火专家系统的钢结构抗火设计方法。
[0004]技术方案:本发明公开了一种基于钢结构抗火专家系统的钢结构抗火设计方法，该方法包括以下部分:
O过火前的钢结构抗火设计，具体步骤为:
11)通过钢结构抗火专家系统(ESSFF)确定火灾时现场温度场；
12)基于步骤11)中现场温度场，计算确定火灾时钢结构构件升高温度；
13)基于所述步骤12)中的计算结果，计算高温下钢结构构件的屈服强度和弹性模量；
14)基于所述步骤13)中的屈服强度和弹性模量，进行钢结构构件的抗火设计；
2)过火后钢结构加固与修复设计，具体步骤为:
21)通过钢结构抗火专家系统(ESSFF)，确定过火后钢结构的实际温度场；
22)基于所述步骤21)中确定的实际温度场，计算过火后钢结构的剩余承载力；
23)基于所述步骤22)中计算的剩余承载力，确定过火后钢结构的损伤等级；
24)基于所述步骤22)和步骤23)中钢结构的剩余承载力和损伤等级，对过火后钢结构进行加固和修复设计。
[0005]所述步骤14)中的钢结构构件抗火设计，具体根据构件受力特点按照受压构件、受弯构件、压弯构件进行设计。
[0006]所述步骤22)中的计算钢结构的剩余承载力，具体根据构件受力特点按照受压构件、受弯构件、压弯构件进行计算。
[0007]所述步骤11)的实际温度场的确定方法为:向钢结构抗火专家系统(ESSFF)提供可燃物的比热、密度、导热系数、火灾荷载密度、等效爆火时间计算室内空气升高温度。
[0008]与现有技术相比，本发明采用专家系统(ESSFF)作为设计工具，通过对火灾现场温度场对钢结构构件的影响对钢结构构件进行设计，从而满足了钢结构构件对抗火性能的要求，同时，通过本发明的发明，还能对火灾后的钢结构构件进行抗火性能的加固和修复，提高钢结构的抗火性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为专家系统(ESSFF)组成部分；
图2基于专家系统(ESSFF)的钢结构抗火设计方法流程；
图3为拟建建筑物中可燃物燃烧后释放的总热值计算；
图4为拟建建筑物内火灾荷载密度计算；
图5为拟建建筑物房间内空气升温大小计算；
图6为拟建建筑物构件在火灾作用下温度随时间变化曲线计算；
图7为过火前钢结构构件设计；
图8为过火前钢结构整体抗火分析；
图9为过火后建筑结构处理流程图；
图10为过火后钢结构建筑损伤评估流程；
图11为过火后钢结构建筑损伤评估内容；
图12为火灾现场勘测内容与过程；
图13为过火后钢结构加固修复设计流程。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图和实施例对该发明做进一步具体说明。图1为专家系统(ESSFF)的组成，图2为基于专家系统(ESSFF)的钢结构抗火设计的流程图。
[0011]本发明主要包括过火前的钢结构抗火设计和过火后的钢结构加固修复设计。
[0012]I)火灾前钢结构的抗火设计分析
该部分的侧重点主要是偏向于火灾前钢结构抗火设计分析，主要考虑以下几个方面: a)从建筑角度来考虑防火设计
主要考虑建筑物的防火分级，防火分区，及结构构件的耐火等级。
[0013]b)钢结构抗火设计前的初始数据确定
向专家系统提供钢结构抗火设计的初始数据(荷载大小，边界条件等)，通过专家系统形成火灾燃烧模型(温度一时间曲线)，并提出防火措施(如防火材料)。
[0014]c)高温下结构整体和构件的承载力分析
通过编制的高温下钢框架非线性有限元程序对高温下钢框架的承载能力进行分析，根据火灾下构件所承受的荷载水平、构件的支座边界条件、构件的保护层厚度等求得达到耐火时间时构件内力，然后对构件的抗火承载力进行验算。
[0015]d)判断钢结构抗火的能力
通过对比分析，得出结构的抗火极限能力，并判断是否满足规范规定的耐火要求。
[0016]2)过火后钢结构的加固修复设计分析
该部分的侧重点主要是偏向于火灾后钢结构加固修复设计分析，考虑以下几个方面: a)火灾后的现场鉴定与评定
向专家系统提供火灾现场的初始数据，通过专家系统推断出火灾燃烧模型(温度一时间曲线)，并判断结构火灾过程中的实际最高温度、结构构件局部损坏程度及结构燃烧破坏所持续的时间。
[0017]b)火灾后结构整体和构件的承载力分析
通过编制的高温下钢结构非线性有限元程序对高温下钢结构的承载能力进行分析，并得出钢结构的耐火极限时间和残余承载力。
[0018]c)钢结构火灾后诊断
通过专家系统的计算分析比较，对结构整体与单根构件作出破坏程度的判断。
[0019]d)提出钢结构火灾后的加固修复方案
结合一定的经济指标和防火措施，提出对火灾后结构的加固修复方案。
[0020]下面通过实施例对这两种设计进行说明。
[0021]实施例1:
该实施例详细介绍过火前的钢结构抗火设计。
[0022]设计者按照图3进行操作，将拟建建筑物可燃物类型、分布、与数量输入专家系统，如果专家系统信息库中没有该种可燃物信息，可通过人机交互的方式向专家系统添加，这样可计算出拟建建筑物中可燃物燃烧后所释放出的总热值；按照图4进行操作，将拟建建筑物可燃物释放的总热值、着火房间面积以及着火房间的热惰性等信息输入专家系统，可计算出拟建建筑物内火灾荷载密度；按照图5进行操作，将拟建建筑物内火灾荷载密度和着火房间开口尺寸输入专家系统，可计算出拟建建筑物在实际火灾下的等效爆火时间，根据等效爆火时间，利用ISO标准火灾升温计算公式可计算出拟建建筑物房间内空气升温的大小；按照图6进行操作，将拟建建筑物保护材料的热物理参数、构件截面类型、室内空气最高温度以及等效爆火时间等信息输入专家系统，可计算出拟建建筑物构件的温度随时间变化的曲线。
[0023]按照图7进行操作，可以对过火前钢结构构件进行抗火设计，包括轴心受压构件抗火设计、受弯构件抗火设计以及弯压构件抗火设计；并且可以实现钢结构构件三种抗火设计过程，包括:1)已知构件的耐火时间，需求保护层厚度；2)已知构件的保护层厚度，需求耐火时间；3)已知构件保护层厚度和耐火时间，验算构件抗火性能是否满足要求。
[0024]按照图8进行操作，可以对过火前钢结构整体抗火性能进行分析，将拟建建筑物几何信息、材料信息、荷载信息以及温度信息输入专家系统，可以得到拟建建筑物在高温火灾作用下的反应(内力和位移大小)。
[0025]实施例2:
该实施例详细介绍过火后的钢结构抗火设计。
[0026]图9为过火后建筑结构处理流程图；图10为过火后钢结构建筑损伤评估流程图；图11为过火后钢结构建筑损伤评估的内容，包括构件鉴定、子单元鉴定和鉴定单元的鉴定三部分，每部分又要对安全性、使用性和可靠性进行评估；图12为火灾现场勘测内容与过程，按照图12进行操作，可以对火灾现场情况进行了解；按照图13进行操作，将火灾后现场调查情况输入专家系统，可以得到失火后结构的最高温度和失火后结构的温度场分布，再将结构局部损伤和整体损伤等信息输入专家系统，可以得到火灾后结构的剩余承载力，然后进行安全性评估，提出合理的加固修复方案。
【权利要求】
1.一种基于钢结构抗火专家系统的钢结构抗火设计方法，其特征在于，该方法包括以下部分: 1)过火前的钢结构抗火设计，具体步骤为: 11)通过钢结构抗火专家系统确定火灾时现场温度场； 12)基于步骤11)中现场温度场，计算确定火灾时钢结构构件升高温度； 13)基于所述步骤12)中的计算结果，计算高温下钢结构构件的屈服强度和弹性模量； 14)基于所述步骤13)中的屈服强度和弹性模量，进行钢结构构件的抗火设计； 2)过火后钢结构加固与修复设计，具体步骤为: 21)通过钢结构抗火专家系统，确定过火后钢结构的实际温度场； 22)基于所述步骤21)中确定的实际温度场，计算过火后钢结构的剩余承载力； 23)基于所述步骤22)中计算的剩余承载力，确定过火后钢结构的损伤等级； 24)基于所述步骤22)和步骤23)中钢结构的剩余承载力和损伤等级，对过火后钢结构进行加固和修复设计。
2.按照权利要求1所述的基于钢结构抗火专家系统的钢结构抗火设计方法，其特征在于，所述步骤14)中的钢结构构件抗火设计，具体根据构件受力特点按照受压构件、受弯构件、压弯构件进行设计。
3.按照权利要求1所述的基于钢结构抗火专家系统的钢结构抗火设计方法，其特征在于， 所述步骤22)中的计算钢结构的剩余承载力，具体根据构件受力特点按照受压构件、受弯构件、压弯构件进行计算。
4.按照权利要求1所述的基于钢结构抗火专家系统的钢结构抗火设计方法，其特征在于，所述步骤11)的实际温度场的确定方法为:向钢结构抗火专家系统提供可燃物的比热、密度、导热系数、火灾荷载密度、等效爆火时间计算室内空气升高温度。
【文档编号】G06F17/50GK103886161SQ201410136930
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】范圣刚, 舒赣平, 桂鹤阳, 丁智霞, 刘飞 申请人:东南大学